陳孟君

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所 宜昌 443003）

1 引言

隨著國(guó)際戰(zhàn)略形勢(shì)的變化，敵對(duì)沖突模式也在不斷發(fā)展。“9.11事件”的發(fā)生，徹底改變了傳統(tǒng)意義上的恐怖襲擊方式，多元化、隱蔽性的特點(diǎn)日趨突出。港口、碼頭及江河水壩等是我國(guó)重要的水上交通及水利設(shè)施，來(lái)往船舶眾多。目前，該類(lèi)區(qū)域雖擁有完善的陸上和水面安全檢查措施，但船舶水面以下部分的安檢手段極度匱乏?？植婪肿涌刂泼裼么昂?，一旦將水下爆炸物放置在船舶底部水下（附著在船底或拖曳在船底），就可能順利通過(guò)現(xiàn)有的水面安全檢查，對(duì)該類(lèi)設(shè)施發(fā)動(dòng)恐怖襲擊，引起經(jīng)濟(jì)損失、造成政治和社會(huì)影響，打擊民眾心理安全、甚至造成社會(huì)動(dòng)亂。

另一方面，內(nèi)河航運(yùn)有部分船舶為追求經(jīng)濟(jì)利益，超過(guò)航道維護(hù)水深標(biāo)準(zhǔn)配載航行（稱(chēng)為船舶“超吃水”），當(dāng)這些“超吃水”船舶冒險(xiǎn)通過(guò)航道的淺險(xiǎn)航段時(shí)，容易在航道內(nèi)擱淺，阻塞航道，從而影響航運(yùn)暢通，危害嚴(yán)重。這些單體貨船大都是個(gè)體或民營(yíng)船舶，部分船員的素質(zhì)不高且信息渠道閉塞，船主常常只考慮自身經(jīng)濟(jì)利益，盲目冒險(xiǎn)航行，這是造成“超吃水”擱淺的主要原因。另?yè)?jù)了解，也有一些自航貨駁船為了防止因船舶碰撞或擱淺對(duì)船體造成損壞，在船舶底部安裝有護(hù)底板，主要是用于保護(hù)船舶底部的舵葉和螺旋槳。護(hù)底板大都安裝在舵葉和螺旋槳下部，并與船舶底部牢固地焊接，這些護(hù)底板一般突出船底龍骨0.4m～0.5m，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，當(dāng)船舶出現(xiàn)擱淺時(shí)，這部分裝置首先擱淺，從而造成整個(gè)船體擱淺，對(duì)航道的破壞影響非常大［1～2］。

此外，船只通過(guò)船底非法夾帶或拖帶走私物品，現(xiàn)場(chǎng)肉眼不易發(fā)現(xiàn)，往往容易躲過(guò)海關(guān)緝私部門(mén)的檢查，給國(guó)家造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。

鑒于此，了解并開(kāi)展船舶的水下安檢方面的工作是十分有意義和必要的。

2 船舶水下安檢的發(fā)展現(xiàn)狀

對(duì)于船舶吃水檢測(cè)，目前檢測(cè)手段主要有人工檢測(cè)和自動(dòng)檢測(cè)兩種。人工觀測(cè)船舶吃水線(xiàn)標(biāo)尺讀數(shù)是人工檢測(cè)船舶吃水量的主要方式。檢測(cè)時(shí)，被測(cè)船舶需要保持相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，測(cè)量人員登船測(cè)量或是乘坐檢測(cè)用小艇靠近被測(cè)船舶測(cè)量。測(cè)量人員需要分別讀取被測(cè)船舶左右舷船首、中、尾共六處吃水線(xiàn)標(biāo)尺的讀數(shù)，然后據(jù)此計(jì)算出被測(cè)船舶的實(shí)際吃水量。該測(cè)量方法有很大的局限性。一方面由于天氣，水面波動(dòng)等環(huán)境因素影響，導(dǎo)致讀取水尺讀數(shù)時(shí)存在一定的誤差，甚至個(gè)別船舶吃水線(xiàn)受水力侵蝕、氧化、磨損、脫落，或泥砂、油垢污染，字符模糊后很難讀認(rèn)；另一方面，測(cè)量時(shí)被測(cè)船舶需要停泊，測(cè)量時(shí)間也較長(zhǎng)，大大影響了航道的通航效率［3～4］。

目前用于船舶吃水自動(dòng)檢測(cè)的技術(shù)手段大致包括以下幾種［5］：

1）超聲波水尺和載重測(cè)量就是依據(jù)超聲波測(cè)距原理，以船體舷邊甲板為基準(zhǔn)測(cè)量船舶吃水，通過(guò)測(cè)量超聲波回波返回的時(shí)間，根據(jù)當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)芈曀?，測(cè)得船體主甲板至水面的距離等參數(shù)，計(jì)算出吃水值；

2）壓力傳感器安裝在船舶空載吃水線(xiàn)的位置上，利用水壓的變化反映出水深的變化這一特性，當(dāng)船舶載貨后吃水變深，根據(jù)壓力傳感器獲得的數(shù)值，經(jīng)過(guò)換算后，即可得出船舶的吃水深度；

3）電子水尺的基本工作原理是利用水的導(dǎo)電性，采用類(lèi)似于人工觀測(cè)水位的方法，它是自上而下依次讀取每個(gè)感應(yīng)觸點(diǎn)（即探針）的電導(dǎo)，在探測(cè)到探針和水面接觸的位置，探針間的電導(dǎo)會(huì)突變?cè)龃髲亩_定水位值；

4）激光水位計(jì)的測(cè)量原理類(lèi)似于超聲波測(cè)量，利用光速的不變性，通過(guò)測(cè)量激光束往返的時(shí)間，間接獲得當(dāng)時(shí)的水位信息。

這些檢測(cè)手段主要使用目的是船主通過(guò)對(duì)船舶自身的檢驗(yàn)，了解船舶的載重量，用于計(jì)算其所獲經(jīng)濟(jì)效益。這些設(shè)備一般安裝在船體上，設(shè)備的管理及其維修與船員的能力有很大關(guān)系，其檢測(cè)效果受船體、船速的影響較大，其檢測(cè)結(jié)果的可靠性受人為因素影響。所以，從某種程度上講，這些檢測(cè)手段并不能滿(mǎn)足船舶監(jiān)督管理和船舶吃水控制現(xiàn)實(shí)的需要。經(jīng)文獻(xiàn)查詢(xún)可知，目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)船舶吃水動(dòng)態(tài)檢測(cè)的成套系統(tǒng)設(shè)備的相關(guān)報(bào)道，但相類(lèi)似的專(zhuān)題研究仍處于技術(shù)研究和開(kāi)發(fā)階段。

另外，對(duì)于船底水下物品走私，文獻(xiàn)［6］提出了一種“反走私水下取證系統(tǒng)”，該系統(tǒng)主要包括安裝于緝私艇上水下機(jī)器人和探測(cè)聲吶，能夠?qū)Ω难b過(guò)的船只進(jìn)行識(shí)別，對(duì)船底走私物進(jìn)行檢查和辨識(shí)，達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)取證，打擊走私的目的。

綜上分析，由于在水中很難采用常規(guī)的光學(xué)或其它測(cè)量方法對(duì)船舶吃水及底部情況進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，而聲探在水中是唯一有效的信息載體，為船舶水下安檢的開(kāi)展帶來(lái)了可能。本文介紹一種多波束聲吶在船舶水下安檢系統(tǒng)中的應(yīng)用。

3 多波束聲吶系統(tǒng)

3.1 基本原理

多波束測(cè)深聲吶又稱(chēng)為條帶測(cè)深聲吶或多波束回聲測(cè)深儀，其原理是利用發(fā)射換能器基陣向海底發(fā)射寬覆蓋扇區(qū)的聲波，并由接收換能器基陣對(duì)海底回波進(jìn)行窄波束接收，如圖1所示。通過(guò)發(fā)射、接收波束相交在海底與船行方向垂直的條帶區(qū)域形成數(shù)以百計(jì)的照射腳印，對(duì)這些腳印內(nèi)的反向散射信號(hào)同時(shí)進(jìn)行到達(dá)時(shí)間和到達(dá)角度的估計(jì)，再進(jìn)一步通過(guò)獲得的聲速剖面數(shù)據(jù)由公式計(jì)算就能得到該點(diǎn)的水深值。當(dāng)多波束測(cè)深聲吶沿指定測(cè)線(xiàn)連續(xù)測(cè)量并將多條測(cè)線(xiàn)測(cè)量結(jié)果合理拼接后，便可得到該區(qū)域的海底地形圖［7～9］。

圖1 多波束測(cè)深原理圖

同理，如果聲吶安裝在水下朝水面發(fā)射聲波，那么當(dāng)水面船只通過(guò)聲吶上方時(shí)，亦可得到船底形狀圖，從而完成對(duì)船舶的水下安檢，本文所述的多波束聲吶就是這種使用方法。

3.2 系統(tǒng)組成

多波束聲吶系統(tǒng)主要由發(fā)射換能器、接收換能器、干端聲吶接口模塊（SIM）組成，配套輔助設(shè)備包含聲速探頭和羅經(jīng)運(yùn)動(dòng)傳感器。

所用的是美國(guó)R2SONIC公司開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的SONIC 2024多波束聲吶系統(tǒng)。該聲吶具有在線(xiàn)連續(xù)調(diào)頻的能力，可以在200kHz～400kHz范圍內(nèi)實(shí)時(shí)在線(xiàn)選擇20多個(gè)工作頻率，沿航跡方向和垂直航跡方向波束角分別為1°和0.5°，具有256個(gè)波束，覆蓋寬度可以根據(jù)實(shí)際作業(yè)情況在10°～160°范圍內(nèi)靈活選擇，最大量程500m。聲速探頭主要用于測(cè)量系統(tǒng)工作水域的聲速，以修正水溫、壓力不均勻引起聲速的變化，以便聲吶得到更好的測(cè)量效果。羅經(jīng)運(yùn)動(dòng)傳感器將平臺(tái)的三維運(yùn)動(dòng)姿態(tài)信息輸入到綜合處理計(jì)算機(jī)，用于對(duì)聲吶數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償［10］。

圖2 多波束聲吶外形圖

4 工作模式

多波束聲吶系統(tǒng)及配套的聲速探頭和羅經(jīng)運(yùn)動(dòng)傳感器安裝在水下平臺(tái)上，平臺(tái)布放在安檢區(qū)域航道水下一定深度，聲波朝水面發(fā)射，當(dāng)受檢船只從其上方通過(guò)時(shí)，聲吶系統(tǒng)對(duì)經(jīng)過(guò)船只的水下部分進(jìn)行掃描，聲吶接收到的原始數(shù)據(jù)通過(guò)復(fù)合纜實(shí)時(shí)傳送到岸上的綜合處理計(jì)算機(jī)形成窄帶圖像，并由專(zhuān)用圖像后處理軟件將窄帶圖像拼接成完整的船底三維圖像。

4.1 單頭工作模式

對(duì)于較窄的航道，在滿(mǎn)足深度的情況下，在水下只需布置單套多波束聲吶即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的水面覆蓋寬度，圖3為單套多波束聲吶工作示意圖。為防止受檢船只偏離聲吶掃描區(qū)域，可在航道掃描區(qū)域兩端水面各設(shè)置一個(gè)航標(biāo)進(jìn)行標(biāo)識(shí)，以引導(dǎo)受檢船只準(zhǔn)確通過(guò)聲吶掃描區(qū)域。對(duì)于航道水深合適，且水位變化不大的區(qū)域，可將多波束聲吶座底固定安裝在水下。對(duì)于航道水深較大或水位變化較大的水域，就不適合座底安裝，可通過(guò)水下浮動(dòng)平臺(tái)安裝，這種水下浮動(dòng)平臺(tái)既能調(diào)節(jié)工作水深，又給后期維護(hù)帶來(lái)了便利，使用水下浮動(dòng)平臺(tái)安裝時(shí)，聲吶數(shù)據(jù)的處理需要羅經(jīng)運(yùn)動(dòng)傳感器進(jìn)行姿態(tài)補(bǔ)償。

圖3 單頭工作示意圖

4.2 雙頭工作模式

對(duì)于較寬闊的航道，在水下布置單套多波束聲吶難以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的水面覆蓋寬度，所以需增加多波束聲吶的數(shù)量，以增加水面覆蓋寬度。圖4為兩套多波束聲吶工作示意圖。兩套聲吶間隔一定距離同向安裝在平直的水下平臺(tái)上，確保拼圖效果，兩套聲吶設(shè)置成不同的工作頻率，避免相互干擾［11］。

圖4 雙頭工作示意圖

5 試驗(yàn)結(jié)果分析

本文涉及的多波束聲吶系統(tǒng)經(jīng)過(guò)了多次湖上實(shí)船試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明，由多波束聲吶掃描船底測(cè)量得出的結(jié)果與真實(shí)船只情況相符合。在船底未攜帶目標(biāo)物和攜帶目標(biāo)物的情況下，船只先后通過(guò)聲吶上方，分別得到圖5和圖6所示的實(shí)測(cè)船底效果圖。圖5為船只底部未攜帶任何目標(biāo)物從聲吶上方完全通過(guò)時(shí)的掃描效果圖，從圖中可以看出船底比較干凈，無(wú)異物。圖6為船只底部攜帶目標(biāo)物從聲吶上方完全通過(guò)時(shí)的掃描效果圖，圖中船底圓圈標(biāo)記內(nèi)目標(biāo)即為探測(cè)到的目標(biāo)物，圖中右下角為水下相機(jī)拍攝的放置于船底的其中一個(gè)水下目標(biāo)實(shí)物照片。

圖5 實(shí)船測(cè)試效果圖（船底無(wú)模擬目標(biāo)）

圖6 實(shí)船測(cè)試效果圖（船底兩個(gè)模擬目標(biāo)）

該多波束聲吶系統(tǒng)除了可以檢查船只整個(gè)船底情況，形成完整的船底三維圖像，實(shí)時(shí)檢測(cè)船底異物之外，還可以通過(guò)二維輪廓圖結(jié)合船底三維圖得到船只吃水信息。當(dāng)然，測(cè)量結(jié)果會(huì)因?yàn)榇煌ㄟ^(guò)時(shí)螺旋槳噪聲及水面波浪干擾存在一定的誤差，控制船只低速通過(guò)，測(cè)量誤差大大減小，可以忽略。

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)船舶水下安檢技術(shù)現(xiàn)狀，本文介紹了一種應(yīng)用于船舶水下安檢的多波束聲吶系統(tǒng)，該系統(tǒng)可望建設(shè)成一套自動(dòng)、智能、集成、高效的船底測(cè)量和報(bào)警系統(tǒng)。即當(dāng)船舶通過(guò)指定位置后，該系統(tǒng)既能自動(dòng)測(cè)量經(jīng)過(guò)船舶的吃水，又能測(cè)量船舶水下部分形狀，自動(dòng)提取船舶的吃水深度，界定船舶吃水深度是否符合航道通行要求，對(duì)發(fā)現(xiàn)的“超吃水”船舶自動(dòng)報(bào)警，同時(shí)還能發(fā)現(xiàn)船底異常，能有效檢查船底走私物品或攜帶危險(xiǎn)品，協(xié)助海關(guān)緝私取證或海事部門(mén)船底檢查，實(shí)現(xiàn)陸上人員肉眼無(wú)法完成的安檢任務(wù)。

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